圓片級封裝的一些基本原則

　　圓片級封裝(WLP)和圓片級芯片尺寸封裝(WL-CSP)是同一概念，它們表示在電路封裝完成后，仍以圓片形式存在。它們可用于有源IC和無源元件的封裝。同其它封裝一樣，WLP必須為芯片提供導熱和電氣通道，還要為芯片提供合適的機械和環(huán)境保護。同樣重要的是WLP還必須與標準的表面安裝技術(shù)(SMT)兼容。

　　1  器件與應(yīng)用

　　圓片級封裝產(chǎn)品正以驚人的速度增長。預計到2005年，其平均年遞增率(CAGR)可達210％。拉動這種增長的器件是集成電路、無源元件、高性能存貯器和引腳數(shù)量少的器件，如閃存／EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驅(qū)動器、射頻器件、邏輯器件、電池組電源管理器件及模擬器件( 電壓調(diào)整器、溫度傳感器、控制器、運算放大器、功率放大器等)。這些器件支撐移動電話、存儲器件、PDA、筆記本電腦、數(shù)字視頻控制器及通信網(wǎng)絡(luò)等終端應(yīng)用。

　　在分析一種圓片是否適合于WLP時，圓片上的器件尺寸、焊盤數(shù)量、以及希望的節(jié)距等必須聯(lián)系起來考慮，才能確認在芯片表面是否有足夠的面積來分布所需的互連。這是因為：圓片級封裝需要采用與"扇出"布線相反的"扇人"布線方式(如圖1所示)，芯片的邊緣就是圓片級封裝電路的邊界。

　　相反，CSP(比IC大，不超過20％)可使用扇人和扇出布線兩種方式，有時還可在橫向或縱向增添焊球

　　和CSP相同，當前圓片級封裝采用與SMT兼容的0．8mm、0．75mm、0．65mm和0．5mm節(jié)距。圖2示出了這四種節(jié)距與器件尺寸和I/O數(shù)量的關(guān)系。該圖近似地表明當節(jié)距從0．5mm至0．8mm變化時，IC表面能否支撐一個給定的I/O數(shù)。圖中僅為近似值，設(shè)計者可利用公共I/O末減少電路與線路板間的互連數(shù)。隨著0．5mm節(jié)距新標準(隨后將是0．4mm節(jié)距)的出現(xiàn)，將會有更多類型的器件采用圓片級封裝。因為節(jié)距減小時，可以分布更多的互連。

　　味著器件不足以支撐給定節(jié)距的全部I/O。公共I/O可以合并，以減少I／O數(shù)。該圖可用來簡單地估計"扇人"能力

　　2 WLP工藝

　　Atmel、Bourns、加利福尼亞微器件、達拉斯半導體、仙童、富士通、日立、國際整流器、Maxim、Micro、三菱、國家半導體、日本電氣、沖電氣、菲利普、ST微電子、德克薩斯儀器及Xicor等廠商推出了不同型式的WLP產(chǎn)品。所有這些產(chǎn)品的封裝工藝可分成三種基本工藝類型(表1)。

　　薄膜再分布WL-CSP-E藝是當今使用最普遍的工藝。因為它的成本較低，非常適合大批量、便攜式產(chǎn)品板級應(yīng)用可靠性標準的要求。

　　目前正在開發(fā)適合于更省I／O數(shù)器件的下一代WLP工藝。因為薄膜再分布工藝主導著當今市場，所以我們有必要仔細考察這類WL-CSP的現(xiàn)有設(shè)計和工藝。

　　3  薄膜再分布WL-CSP

　　如同其它的WLP一樣，薄膜再分布WL-CSP的圓片仍采用常規(guī)圓片工藝制作。在圓片送交WLP供貨商之前，要對圓片進行測試，以便對電路進行分類和繪出合格電路的圓片圖。圓片在再分布之前，先要對器件的布局進行評估，以確認該圓片是否適合于進行焊球再分布。

　　當初次評估一種圓片級封裝工藝時，對于器件工程師來說，典型的辦法是選取一種現(xiàn)有的引線鍵合器件來進行WLP轉(zhuǎn)換。這一策略可為評估和轉(zhuǎn)換的確認提供最快的途徑。但是，引線鍵合的I／O焊盤通常排布得過于靠近，以致于不能安放焊球。即使可在現(xiàn)有的I／O焊盤上放置焊球，但焊球的分布不可能是最佳的，因而不能獲得最好的可靠性。

　　再分布工藝就是在器件表面重新布置I／O焊盤。圖3示出了引線鍵合閃速存儲器上再分布的情形。從圖上可見，閃速存儲器芯片的兩個短邊上的原有焊盤轉(zhuǎn)換成了凸點陣列。在此實例中，器件表面使用了兩層介質(zhì)層，中間夾有的一層再分布金屬化層用于改變I／O的分布。在這工序之后，安裝上焊料球(見圖4)，于是芯片就變成了WLP產(chǎn)品。

　　將引線鍵合焊盤設(shè)計再分布成焊球陣列焊盤的缺點是：生產(chǎn)的WLP產(chǎn)品在器件設(shè)計、結(jié)構(gòu)或制造成本方面不可能是最佳時。但是，一旦證明其技術(shù)上可行，那么就可對這種電路重新設(shè)計，于是就可以消除外加再分布。這種情況已成共識。為此，特別定義了一種雙相判定程序。下一代的變化可能是在芯片最后金屬層內(nèi)集成再分布層，或者是一種用以改進性能的最短信號線的新設(shè)計。 

    重新設(shè)計可能需要補充新的軟件工具。由于重新設(shè)計可消除外加的再分布工序和相關(guān)工藝，因此，重新設(shè)計的信號、電源和接地線的結(jié)構(gòu)非常低廉。比較一下圖4中所示的兩種WLP結(jié)構(gòu)。第一種示出的是較為復雜的薄膜再分布的截面第二種是把焊球直接安裝在芯片I／O焊盤頂部的設(shè)計。第二種WLP被定義為單層聚合物WLP。聚合物用于硅片平坦化，對芯片提供必要的保護，以及用作標準的表面涂敷。對于薄膜再分布WLP來說，后一種方法不失為一種成本--效益更佳的設(shè)計。

　　如果一種器件是以WLP和引線鍵合封裝兩種形式供貨，把這種器件重新設(shè)計成非再分布結(jié)構(gòu)是一種例外。在這種情況下，外加再分布工藝仍將必要，因為直到圓片制作好還不能確定封裝類型。

　　WLP的最終結(jié)構(gòu)取決于IC的要求及其應(yīng)用情況。例如，設(shè)計高性能存儲器要求WIJ遵守總的電容規(guī)范。在這種情況下，為了使最終互連結(jié)構(gòu)增加的電容量盡可能少，必須把焊料凸點置于再分布介質(zhì)層表面，并且，在這種結(jié)構(gòu)中必須使用低介電常數(shù)材料。在第二種實例中，最終金屬層中的布線可能非常強，甚至其間距小到了可靠性要求的最小設(shè)計規(guī)則以下。因此，封裝制造廠家推薦增加介質(zhì)層數(shù)以使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

　　當前，如同 有許多產(chǎn)品類型一樣，也有許多互連方案。造成這種現(xiàn)象的原因是WLP技術(shù)還是新技術(shù)，以及缺乏內(nèi)部的和工業(yè)化設(shè)計的標準。這就要求ⅢM和封裝制造廠家相互密切聯(lián)系，理解對方的規(guī)范和設(shè)計規(guī)則，以便生產(chǎn)出性能／價格比最佳的產(chǎn)品。

　　4 WLP制造考慮

　　4．1 焊球節(jié)距與直徑

　　焊料連接可靠性與焊料體積有關(guān)，增加焊料高度和直徑可延長疲勞壽命。對于0．75~0．80mm節(jié)距的IC來說，典型的焊球直徑為0．5mm。當節(jié)距接近0．5mm時，焊球尺寸可以減少至0．30~0．35mm。這類結(jié)構(gòu)通常使用預成型焊球。尺寸≤0．25mm的焊料連接，要采用別的連接方式，因為預成型焊球的成本尚無競爭力。

　　4．2合金類型

　　目前，共晶Sn／Pb焊料是WLP應(yīng)用最廣的合金。市場還可買到其它合金，包括在電源應(yīng)用中使用的高Pb(95Pb／Sn)合金；用于對。粒子敏感產(chǎn)品或"綠色"環(huán)保產(chǎn)品的無鉛合金。

　　4．3布線性能及專門特性

　　WLP上布線情況取決于封裝制造者的設(shè)計規(guī)則。對于非阻抗匹配布線來說，通常將線條和間隔特征最大化并避免90